Bulunan bu basit teknik plastik, kauçuk gibi malzemeleri zayıflatan döngüleri azaltır.
Araştırmacılar polimerdeki döngülerin(kırmızı) sayısını azaltmak için yeni bir yaklaşım buldu. Bu yöntem, plastik veya jel gibi endüstrideki kullanışlı malzemelerin güçlendirilmesi amacıyla üreticilere kolay bir yol sunabilir.
Polimerlerden yapılmış olan plastik, kauçuk ve diğer birçok kullanışlı materyaller, çapraz bağlı bir ağda düzenlenmiş olan uzun zincirlerdir.
Birkaç yıl önce, MIT araştırmacıları, polimer ağındaki bir zincir, başka bir zincir yerine kendisine bağlandığında ortaya çıkan “döngüler” olarak adlandırılan bu kusurların belli türlerini kesin olarak ölçen ilk kişilerdi. Şimdi ise aynı araştırmacılar, bir polimer ağındaki döngülerin sayısını azaltmanın ve böylece polimerlerden yapılmış olan malzemeleri güçlendirmenin basit bir yolunu buldu.
Araştırmacılar bunu başarmak için basitçe polimer ağının bileşenlerinden bir tanesini yavaş bir biçimde fazla miktarda bulunan ikinci bir bileşene ilave ettiler. Farklı polimer ağlarında bu yaklaşımı kullanarak döngü sayısını yarıya düşürdüler. Bu yöntem, plastik ya da jel gibi endüstriyel olarak kullanışlı olan malzemelerin üreticilerine malzemelerini güçlendirmeleri adına kolay bir yol sunabilir.
MIT’de bulunan Kimya Firmench Kariyer Geliştirme Görevlisi ve bu makalenin kıdemli yazarı olan Doçent Jermiah A. Johnson “Sadece bir bileşeni diğerine ekleme biçiminin değiştirilerek malzemenin mekanik özellklerini değiştirebilirsiniz” ifadelerini kullandı.
MIT lisansüstü öğrencisi olan Yuwei Gu, 24 Nisan haftasında Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı’nda yayınlanan makalenin ilk yazarıdır.
MIT’deki kimya mühendisi Doçent Bradley Olsen; MIT lisansüstü öğrencisi Ken Kawamoto; eski MIT doktora sonrası araştırmacısı Mingjiang Zhong ve Mao Chen; Case Western Reserve Üniversitesi Yardımcı Doçent Michael Hore; Case Western Reserve lisansüstü öğrencisi Alex Jordan; Ve eski MIT ziyaretçi profesörü ve Case Western Reserve Yardımcı Doçent LaShanda Korley ise diğer yazarlardır.
Döngülerin Kontrolü
2012 yılında Johnson’un grubu bir polimer ağındaki döngüleri ölçmek için ilk kez düşünülen bir yol tasarladı ve Olsen’in teorik tahminleri ile birlikte bu sonuçları doğruladı. Araştırmacılar döngülerin, başlangıç materyalindeki polimer zincirinin konsantrasyonuna ve diğer faktörlere bağlı olarak polimer ağının yaklaşık olarak %9 ile %100ünü oluşturabileceklerini buldular.
Birkaç yıl sonra, Johnson ve Olsen bu döngülerin bir malzemeyi ne kadar zayıflattığını hesaplamak için bir yol geliştirdiler. Son çalışmalarında, malzemenin kompozisyonunu değiştirmeden, oluşan döngülerin sayısını azaltabilmek için yola koyuldular.
Johnson “ Kendimiz için belirlediğimiz hedef, normalde kullanılabilen bir malzemeyi aynı koşullarda, aynı öncül maddeleri kullanarak ve aynı konsantrasyonda daha az döngüye sahip bir hale getirebilmek” dedi.
Bu çalışmada, araştırmacılar ilk olarak yıldız polimer ağı olarak bilinen bir polimer yapısına odaklandılar. Bu malzemenin ,B4 olarak bilinen, dört kolu aynı olan bir yıldız ve A2 olarak bilinen bir yıldız olmak üzere iki yapıtaşı vardır. Ancak tipik sentezleme prosesinde, her şey aynı anda karıştırıldığı zaman, A2 zincirlerinin bir kısmı B4 kollarından ikisine bağlanarak bir döngü oluşturur.
Araştırmacılar, B4’ü A2 çözeltisine çok yavaş ekledikleri takdirde, B4 kollarının her birinin A2’nin tek bir molekülü ile hızlıca reaksiyona gireceğini ve böylece A2’nin döngü oluşturabilmek için çok az fırsatı olacağını tespit ettiler.
B4 çözeltisinin yarısını çok yavaş bir şekilde ekledikten birkaç saat sonra, geriye kalan çözeltinin tamamını tek seferde eklediklerinde yıldız şeklindeki alt birimler çapraz bağlı olan polimer ağına birlikte katılmak üzere bir araya geldiler. Araştırmacılar, bu materyalin, geleneksel sentez prosesini kullanarak üretilen aynı materyalin yarısı kadar döngüye sahip olduğunu keşfettiler.
Johnson, esas materyalde kaç tane döngü olduğuna bağlı olarak “yavaş daha sonra hızlı” stratejisine bağlı kalınarak materyalin gücünü %600 oranında artırabileceğini belirtiyor.
Daha iyi ürünlerin eldesi
Araştırmacılar bu çalışmaların yanı sıra polimer ağı sentez reaksiyonlarının dört farklı çeşidi için de bu tekniği denediler. Bu polimer türlerinin tümü için döngü sayısını ölçmek mümkün olmadı ancak malzemelerin güçlendirilmesinde benzer gelişmeler elde ettiler.
Bu yaklaşım plastikler, su artımı için kullanılan zarlar, epoksi yapıştırıcılar ya da kontakt lensler gibi hidrojeller de buna dahil olmak üzere bir jelden veya diğer çapraz bağlı polimerlerden yapılmış malzemelerin potansiyel olarak gücünü artırmaya yardımcı olabilir.
Şimdi ise Johnson’un laboratuarı, bu stratejiyi doku mühendisliği için hücreleri büyüten jeller de dahil olmak üzere çeşitli materyallere uygulamaya çalışıyor.